ТВЕРДОТЕЛЬНЫЙ ЛАЗЕР

ТВЕРДОТЕЛЬНЫЙ ЛАЗЕР


SU (11) 1750403 (13) A1

(51) 6 H01S3/05 

(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ СССР 
Статус: по данным на 07.12.2007 - прекратил действие 

--------------------------------------------------------------------------------

(21) Заявка: 4345045/63 
(22) Дата подачи заявки: 1987.12.18 
(45) Опубликовано: 1996.10.20 
(56) Список документов, цитированных в отчете о поиске: J.Steffen, J.P. Lortscher. G. Hezziger. Fundamental mode radiation with solidstate lasers. JEEE Journal of Quantum Electronics, 1972, V. OE-8, N 2, p. 239-245. Ракчеев Д.А., Силичев О.О. Измерение величины нестабильностей оптической силы и положения оси термической линзы активного элемента лазера на АИГ: Nd3+. Труды МФТИ. Физические явления в приборах электронной и лазерной техники. М., 1982, с. 44- 50. L.M. Pereson, D.C. Carmer, A. highly stable Jow average pawer mode - locked Nd. YAD. laser - JEEE. Journal of Quantum Electronics, 1980, V. OE-16, N 6, p. 650-653. 
(71) Заявитель(и): Научно-исследовательский институт радиооптики 
(72) Автор(ы): Плотников В.М.; Минаев В.П. 

(54) ТВЕРДОТЕЛЬНЫЙ ЛАЗЕР 

Изобретение относится к лазерной технике и может быть использовано в лазерах с активными элементами из кристаллических или аморфных твердых веществ, в которых применяется оптическая накачка. Цель изобретения - повышение стабильности излучения, снижение чувствительности к разъюстировке зеркал и расширение функциональных возможностей за счет управления угловым положением излучения. Лазер содержит двухзеркальный плоскопараллельный оптический резонатор, в котором расположен активный элемент, один торец которого плоский, а другой выпуклый сферический с радиусом кривизны, равным R = (d+2s)(o-1)/2o, где d и s - соответственно длины накачиваемой зоны активного элемента и его ненакачиваемого концевого участка со стороны выпуклого торца; o - показатель преломления в активном элементе. Активный элемент помещен в узел оптической накачки, обеспечивающий непрерывную либо импульсно-периодическую накачку. Расстояние от зеркал резонатора до торцов активного элемента связаны определенным соотношением с размерами активного элемента и величиной фокусного расстояния термической линзы в нем. При этом зеркало со стороны выпуклого торца оказывается расположенным на малом удалении от активного элемента, что позволяет разместить активный элемент и это зеркало в едином компактном жестком узле. Выбранная конфигурация активного элемента и резонатора обеспечивает малую чувствительность параметров генерации к флуктуациям термической линзы в активном элементе, а также к разъюстировкам зеркала, расположенного со стороны плоского торца. Малая чувствительность к разъюстировкам этого зеркала, превышающим единицы градусов, обеспечивает устойчивость лазера к механическим возмущениям, а также позволяет управлять угловым положением выходного излучения путем поворотов указанного зеркала при использовании его в качестве выходного. 1 з. п. ф-лы, 2 ил. 


ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ



Изобретение относится к лазерной технике и может быть использовано в лазерах с активными элементами из кристаллических или аморфных твердых веществ, в которых применяется оптическая накачка.

Известен твердотельный лазер (1), содержащий активный элемент, помещенный в двухзеркальный оптический резонатор. Торцы активного элемента выполнены плоскими, а геометрические параметры резонатора подчиняются соотношению:

(1)

где g1 и g2 параметры устойчивости резонатора;

a и b расстояние от торцов активного элемента до зеркал резонатора.

При этом обеспечивается нечувствительность поперечного размера пучка в активном элементе к малым флуктуациям величины, наведенной в активном элементе термической линзы, что позволяет снизить чувствительность величины выходной мощности к указанным флуктуациям.

Недостатком известного технического решения является чувствительность положения оси излучения к колебаниям термической линзы и высокая чувствительность мощности излучения к разъюстировкам зеркал резонатора.

Известен также твердотельный лазер (2), включающий активный элемент, помещенный в двухзеркальный резонатор, одно зеркало резонатора является плоским, а другое вогнутым сферическим с радиусом кривизны R. Расстояния от активного элемента (от его главных плоскостей) до зеркал равны: до сферического зеркала R, а до плоского

,

где f- фокусное расстояние наведенной в активном элементе термической линзы.

Лазер обладает повышенной стабильностью к флуктуациям термической линзы в активном элементе, а также к разъюстировкам плоского зеркала относительно активного элемента. Недостатками лазера являются его большая длина и критичность к разъюстировкам сферического зеркала, поскольку устойчивость резонатора лазера обеспечивается при R > f. Для лазеров на АИГ:Nd, например, величина f обычно составляет 0,3-1,5 м. При этом величина b определяет радиус низшей поперечной моды в активном элементе в соответствии с соотношением 2= 2b/, где длина волны излучения. Например, для w 0,5 мм, f 0,6 м и l = 1,06 мкм получаем b 0,37 и R 3,15 м, то есть общая длина резонатора превышает 3,5 м.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является твердотельный лазер (3), содержащий активный элемент из алюмоиттриевого граната с неодимом и два плоских зеркала, установленные по разные стороны от активного элемента, торцы активного элемента выполнены вогнутыми с радиусом кривизны 2 м. В лазере обеспечивается малая чувствительность параметров излучения к угловому положению активного элемента относительно оптической оси, определяемой зеркалами резонатора.

Недостатком этого устройства является его высокая чувствительность к разъюстировкам зеркал резонатора относительно друг друга, что ведет к нестабильности излучения при наличии механических возмущений конструкции.

Целью изобретения является повышение стабильности излучения, снижение чувствительности к разъюстировке зеркал и расширение функциональных возможностей за счет управления угловым положением выходного излучения.

Цель изобретения достигается тем, что в твердотельном лазере, содержащем установленные на одной оптической оси активный элемент, помещенный в узел оптической накачки, и два плоских зеркала, расположенные по разные стороны от активного элемента перпендикулярно оптической оси, один торец активного элемента выполнен плоским, а другой торец выпуклым сферическим с центром кривизны, расположенным на оптической оси, и радиусом кривизны R, равным

(2)

а зеркало, расположенное со стороны выпуклого торца, установлено на расстоянии с от выпуклого торца, определяемом соотношением:

(3)

где d длина накачиваемой зоны активного элемента вдоль оптической оси;

s и t длины не используемых при оптической накачке концевых участков активного элемента вдоль оптической оси соответственно со стороны выпуклого и плоского торцов;

o показатель преломления материала активного элемента;

l расстояние от плоского торца активного элемента до зеркала, расположенного со стороны этого торца;

f фокусное расстояние осесимметричной термической линзы, наводимой в активном элементе.

Требуемая точность соблюдения соотношений (2) и (3) определяется необходимостью поддержания резонатора лазера в центральной части его зоны устойчивости и в каждом конкретном случае легко рассчитывается по известной методике (Magni V. Resonators for solid-state lasers with large-volume bundamental mode and high alignment stability. Applied Optics, 1986, v.25, N 1, p.107-117).

Признаками, отличающими предложенный лазер от прототипа, являются форма торцов активного элемента (один торец плоский, а другой выпуклый с заданным радиусом кривизны), а также связь между геометрическими параметрами резонатора (значениями d, s, t и l), выражаемая определенным соотношением. Указанная совокупность отличительных признаков обеспечивает выполнение условий

A2 -1; B2 0; (4)

где А1, B1 элементы матрицы преобразования для плеча резонатора со стороны плоского торца, вычисленной от соответствующей главной плоскости активного элемента и имеющий вид:

(5)

A2, B2 элементы матрицы преобразования для плеча резонатора со стороны выпуклого торца, вычисленной от соответствующей главной плоскости активного элемента и имеющей вид (сам выпуклый торец включен в данное плечо и не учитывался при расчете матрицы преобразования самого активного элемента):

(6)

На фиг. 1 изображена схема предлагаемого твердотельного лазера; на фиг. 2 зависимость мощности излучения от угла разъюстировки выходного зеркала предлагаемого лазера при различных длинах резонатора.

Примером конкретной реализации устройства является лазер, содержащий размещенные на одной оптической оси 1 активный элемент 2 и два плоских зеркала 3 и 4. Один торец 5 активного элемента 2 плоский, а другой торец 6 выпуклый с радиусом кривизны R, определяемым формулой (2). Лазер также содержит узел 7 оптической накачки активного элемента 2. В качестве выходного зеркала может использоваться либо зеркало 3, либо зеркало 4, либо оба зеркала 3 и 4 одновременно. В последнем случае осуществляется одновременная генерация двух выходных лазерных пучков 8 и 9. Коэффициент отражения зеркала, не являющегося выходным, целесообразно выбирать близким к 100% а коэффициент отражения выходного зеркала оптимальным с точки зрения получения максимальной мощности (энергии) излучения. При использовании зеркала 3 в качестве выходного и размещении его на поворотном основании 10, осуществляющем наклоны зеркала 3 относительно плоскости, перпендикулярной оптической оси 1, обеспечивающей возможность управления угловым положением пучка 8 за счет поворота зеркала 3.

Лазер может работать как в непрерывном, так и в импульсно-периодическом режиме. В последнем случае в формуле (3) используется величина термической линзы f в активном элементе 2 в момент генерации очередного импульса излучения. Если активный элемент помимо наведенной термической линзы имеет некую исходную линзовость, то под величиной f следует понимать фокусное расстояние результирующей линзы накачиваемого активного элемента без учета сферического выпуклого торца. Оптическая накачка активного элемента 2 производится, например, дуговыми либо вольфрамовыми лампами накачки, либо светодиодами, лазерными диодами, излучением других лазерных источников и т. д.

В примере конкретной реализации предлагаемого устройства активный элемент лазера выполнен из кристалла АИГ:Nd3+ размером 4 х 65 мм. Накачиваемая зона имеет длину 60 мм в центральной части активного элемента, ненакачиваемые концевые участки длину по 2,5 мм с каждой стороны. Один торец активного элемента плоский, другой выпуклый с радиусом кривизны R 15 мм. Торцы активного элемента просветлены на длину волны 1,06 мкм. Накачка активного элемента 2 осуществляется равномерно по длине его накачиваемой зоны с помощью дуговой лампы накачки типа ДНП-6/60. Активный элемент и лампа накачки помещены в кварцевый моноблочный посеребренный осветитель, а все указанные элементы установлены в корпус квантрона К-301А. В качестве зеркал 3 и 4 резонатора используются диэлектрические зеркала с коэффициентами отражения 99% для зеркал 4 и 86% для зеркала 3. Выходным зеркалом резонатора является зеркало 3. Расстояние от зеркал 3 до плоского торца 5 активного элемента 2 составляет 20-62 см, а соответствующее расстояние с от зеркала 4 до выпуклого торца 6 равно приблизительно 1,8-1,7 см. При этом общая длина резонатора L составляет приблизительно 30-70 см. Охлаждение активного элемента, лампы и осветителя осуществляется дистиллированной водой с общим расходом около 20 л/мин. Как показали проведенные испытания, предлагаемый лазер малочувствителен к разъюстировкам зеркала 3 (см. фиг. 2) и допускает управление угловым положением выходного пучка 8 в пределах больше 2 путем соответствующего поворота зеркала 3. 


ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ



1. Твердотельный лазер, содержащий установленные на одной оптической оси активный элемент, помещенный в узел оптической накачки, и два плоских зеркала, расположенных по разные стороны от активного элемента, перпендикулярно оптической оси, отличающийся тем, что, с целью повышения стабильности излучения, снижения чувствительности к разъюстировке зеркал, один торец активного элемента выполнен плоским, а другой торец выпуклым сферическим с центром кривизны, расположенным на оптической оси, и радиусом кривизны R, равным



а зеркало, расположенное со стороны выпуклого торца, установлено на расстоянии с от выпуклого торца, определяемом соотношением



где d длина зоны накачки активного элемента вдоль оптической оси;

S и t длины не используемых при оптической накачке концевых участков активного элемента вдоль оптической оси соответственно со стороны выпуклого и плоского торцов;

o показатель преломления материала активного элемента;

l расстояние от плоского торца активного элемента до зеркала, расположенного со стороны этого торца;

f фокусное расстояние осесимметричной термической линзы, наводимой в активном элементе.

2. Лазер по п. 1, отличающийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей за счет управления угловым положением выходного излучения, выходное зеркало укреплено на поворотном основании.